2．2虚拟战场环境系统的基本构成

    虚拟战场环境系统由软件系统、数据库系统和硬件系统三部分构成。其软件系统主要包括战场环境建模软件、场景纹理生成与处理软件、立体图像生成软件、观察与操作控制软件、分析应用GIS软件等；数据库系统主要包括战场地图数据库、三维环境模型数据库、武器装备数据库、环境纹理影像数据库、应用专题数据库等；硬件系统主要包括计算机、声像处理系统、感知系统（显示设备、立体观察装置、人机操纵装置）等。根据虚拟战场环境的应用需求，以上三个部分就有不同的组合方式，进而构成不同的应用系统。

    就军事应用而言，虚拟战场环境主要有多人共享式和单兵沉浸式两种应用模式，相应地，虚拟战场环境系统就有多人共享式和单兵沉浸式两种构成，其主要区别在于立体图像的显示与观察方式以及对场景的控制方式上。

    （1）多人共享式。在作战指挥以及大多数作战模拟与训练中，指挥和参谋人员往往需要围绕同一个战场环境来研讨作战方案、评估作战效果。为了满足多人共享的需求，目前大多数的虚拟战场环境系统都是以大屏幕投影显示、通过立体眼镜（液晶式或偏振光式）观察来实现视觉共享，通过操纵杆或鼠标和键盘等输入设备来控制视点。其优点是处于同一空间中的用户（几人到几十人）可以同时观察到同一场景，且系统硬件价格低廉。其不足是对场景的操作只能由一人完成，且当大屏投影的图像无法占满观察者的视野时，会削弱临境感。

    （2）单兵沉浸式。在单兵对技术、战术武器装备的操作训练的应用中，需要强调的是受训者个人与武器装备及其所处环境的关系。为此，多采用头盔显示器（HMD）来作为立体显示、立体观察和头部定位跟踪装置，运用数据手套或体位跟踪器来完成定位、选择等操作。运用这些装置可以使受训者产生强烈的临境感，进而达到良好的训练效果。但其设备十分昂贵，难以推广使用，并且由于传感装置还不十分精确、计算机对大数据量的场景计算能力有限，常常会造成感觉的病态反应。

    3. 建构虚拟战场环境的若干关键技术

    作为虚拟现实系统，一般认为需要具备三个基本特征—交互（Interaction）、沉浸（Immersion）和想象（Imagination）[10]，但根据实际用途，对这“3I”特征的体现也有所侧重。就共享式虚拟战场环境系统而言，体现可交互性是重点；而对于沉浸式虚拟战场环境系统，所强调的是其沉浸特征（可进入性）；无论哪种应用，想象力都是不可缺少的。

    3．1 实现“交互”的关键技术

    交互特征是指系统具有对人机交互作出响应的能力，衡量这种能力的标准是系统处理和显示环境图像的刷新率（帧/秒），刷新率越高，说明系统可以对交互作出越快的响应，当交互响应达到实时，在视觉上就表现为场景随交互过程而连续平滑地变化。当交互响应有明显延时，在视觉上就表现为场景的停滞和抖动变化。显然，影响交互能力的因素除了系统硬件对于场景数据处理和显示的性能外，还与场景的数据量以及交互控制的软件有关。因此，在建构虚拟战场环境系统时，要充分考虑设备的性能以及用户的实际装备能力，软件系统开发的关键则在于场景数据的组织和管理。

    在战场环境仿真应用中，参与可视化处理的场景数据包括三维地形模型、三维地物模型和地形地物的表面纹理（如果考虑到综合战场环境的构成，还应该包括武器装备模型及其纹理以及烟火特效、声效等数据），其数据量十分庞大。为了实现大数据量地景的实时交互显示，就必须解决场景数据的组织与管理问题，其思路就是在保证场景显示细节的前提下，使参与实时处理的场景数据降低到最少，以保证交互响应的效率。我们的实践表明，按人类视觉认知的规律来组织和调度场景数据是一种行之有效的方法。该规律是：从固定视点注视客观物体时，离视觉中心越近的部分在视网膜上的呈像越清晰，越远其呈像越模糊；从不同视距观察客观物体时，离物体越近，看到的物体的细节就越丰富。遵循上述规律，场景数据的组织和调度实际上就归结为场景细节层次的组织以及与视点相关的各层次数据的调度[11]。

    （1）场景细节层次的组织：场景的细节包括场景模型的细节和场景纹理的细节。场景模型的细节是指场景体形态所表达的细节，场景纹理的细节是指场景表面影像所表达的细节。场景模型的最高细节取决于模型建立的数据源，对于以矢量地图数据为主要数据源的战场环境仿真应用来说，数字地图的原始比例尺决定着场景模型所描述的最高细节，即比例尺越大，细节越丰富。场景纹理的最高细节取决于纹理影像的数据源，当以数据地图作为仿真地面纹理的数据源时，其纹理的最高细节同样与数字地图的比例尺有关，即比例尺越大，地物要素的分类分级越详细，则仿真影像所能描述的地表的细节越丰富；当以遥感影像作为地表纹理时，影像分辨率则决定着地表要素所能展现的细节。

    为了达到视点越近细节越丰富的场景表达效果，需要把场景模型和纹理数据区分为多种细节层次，并按细节序列加以组织。

    （2）与视点相关的层次数据的调度：在同一个视景中，按视觉中心详细周边概略的原则来调度不同细节的模型和纹理数据，也是为保持交互与视觉效果而降低参与计算的地景数据量的有效方法。

    需要说明的是，纹理细节可以在视觉上弥补模型细节的不足，即在较为概略的模型骨架上叠加细节较多的纹理，这是提高交互效率而不降低显示效果的一个有效策略。

    3．2 实现“沉浸”的关键技术

    沉浸特征是指系统的声像效果能够使受训者产生置身于虚拟环境中的感觉。对于大多数应用而言，营造立体视觉效果是实现“沉浸”的关键，即根据人类的双目立体视觉原理，借助于一定的设备，使观察者在生理水平上对被观察的场景产生强烈的立体感。由于在虚拟